基于脈沖漏磁的缺陷量化評(píng)估

許　鵬， 黃　俊， 朱勵(lì)歷

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

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基于脈沖漏磁的缺陷量化評(píng)估

許鵬， 黃俊， 朱勵(lì)歷

(南京航空航天大學(xué) 江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

脈沖漏磁檢測(cè)是一種以脈沖信號(hào)作為激勵(lì)源的漏磁無(wú)損檢測(cè)新方法，廣泛應(yīng)用于鋼材等鐵磁性材料的檢測(cè)中。分析了基于霍爾傳感器的脈沖漏磁檢測(cè)方法，并搭建了脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用Labview開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)了檢測(cè)平臺(tái)，用于采集在脈沖激勵(lì)下傳感器檢測(cè)裂紋缺陷的漏磁信號(hào)。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)了多個(gè)加工有不同裂紋缺陷的鋼板樣本，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的峰值大小和峰-峰值間距對(duì)缺陷的寬度和深度參數(shù)進(jìn)行了有效的量化評(píng)估。

脈沖漏磁檢測(cè)； 霍爾傳感器； 裂紋缺陷檢測(cè)； 量化評(píng)估

漏磁檢測(cè)技術(shù)[1-2]具有非接觸、易實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于鐵磁性材料的缺陷檢測(cè)中。脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)(Pulsed Magnetic Flux Leakage，PMFL)結(jié)合了漏磁檢測(cè)技術(shù)和脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)[3-4]的優(yōu)點(diǎn),其與傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)技術(shù)最大的區(qū)別在于勵(lì)磁方式上的差異，即采用了頻譜豐富的脈沖信號(hào)作為勵(lì)磁。對(duì)鐵磁性材料檢測(cè)時(shí)，脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)[5-7]能獲得更多的缺陷信息,利用這些信息可對(duì)缺陷的特征進(jìn)行更可靠地判斷。

筆者采用漏磁檢測(cè)技術(shù)，對(duì)帶有矩形槽表面缺陷的鋼板進(jìn)行檢測(cè)。利用大功率放大器作為脈沖激勵(lì)源對(duì)檢測(cè)探頭進(jìn)行勵(lì)磁，運(yùn)用labview軟件平臺(tái)[8-9]編寫(xiě)檢測(cè)程序，對(duì)霍爾傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、顯示。對(duì)不同鋼樣本的多組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)輸出信號(hào)的峰-峰值間隔距離和峰值的幅值大小對(duì)缺陷的寬度和深度進(jìn)行量化估計(jì)。

1　脈沖漏磁檢測(cè)原理

脈沖漏磁檢測(cè)時(shí),勵(lì)磁線圈被纏繞在高磁導(dǎo)率的U型磁芯上，在勵(lì)磁線圈上施加脈沖激勵(lì)信號(hào)，對(duì)鐵磁性材料進(jìn)行磁化。由于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率很大，而其它非鐵磁性材料如空氣的磁導(dǎo)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵磁性材料，如果鐵磁性材料不存在缺陷，大多數(shù)的磁力線將通過(guò)鐵磁性材料。若鐵磁性材料存在缺陷，缺陷處磁阻增大，磁力線將在缺陷處發(fā)生折射，方向發(fā)生改變，一部分泄漏出鐵磁性材料表面，形成漏磁場(chǎng)[10-11];利用傳感器將漏磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析可獲取缺陷的深度、寬度等信息[12]。

脈沖漏磁檢測(cè)的脈沖激勵(lì)信號(hào)g(t)周期為T(mén)，占空比為Δ，幅值為V，對(duì)g(t)進(jìn)行傅里葉變換可得，

(1)

(2)

(3)

式中:A0為偏置量;An為幅值;f1為頻率;ω1為角頻率;T為周期;φn為相位。

從式(1)可看出,脈沖漏磁檢測(cè)具有豐富的頻譜信息，可以獲得更多關(guān)于缺陷特征的信息。 同時(shí)，在脈沖激勵(lì)的上升沿和下降沿時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生瞬變的磁場(chǎng)，從而在被測(cè)體表面感應(yīng)出渦流，產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，趨膚深度的表達(dá)式如下[6]：

(4)

式中:δ為趨膚深度;f為脈沖激勵(lì)頻率;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。

可看出，當(dāng)μ和σ一定時(shí),減小脈沖激勵(lì)頻率，能夠提高趨膚深度;如果對(duì)近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè),可適當(dāng)提高脈沖激勵(lì)頻率。

2　脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)探頭(由勵(lì)磁系統(tǒng)和霍爾傳感器組成)、脈沖激勵(lì)源、信號(hào)調(diào)理電路、USB數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　脈沖漏磁檢測(cè)系統(tǒng)框圖

由于在脈沖激勵(lì)上升沿、下降沿時(shí)刻存在豐富的高頻信號(hào)，為了減小磁芯自身渦流效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，檢測(cè)系統(tǒng)采用U型鐵氧體材料作為磁芯，用直徑0.5 mm漆包線在磁芯上纏繞600匝作為激勵(lì)線圈。探頭的實(shí)物如圖2所示。

圖2　脈沖漏磁檢測(cè)探頭實(shí)物圖片

應(yīng)用固體集成式霍爾傳感器檢測(cè)漏磁信號(hào)，其內(nèi)部集成Hall傳感器及放大電路。激光修正薄膜電阻具有較高的靈敏度,經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后具有低功耗、線性響應(yīng)、寬工作溫度和寬輸入電壓等特點(diǎn)。傳感器固定在U型骨架的中心位置，靠近檢測(cè)表面并與檢測(cè)面平行，可檢測(cè)缺陷處垂直于表面方向的漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

檢測(cè)系統(tǒng)的脈沖信號(hào)由USB數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字接口提供，由于USB數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字接口的最大驅(qū)動(dòng)電流為4 mA、最大輸出電壓為+5 V，不能滿足探頭勵(lì)磁系統(tǒng)的功率需求，因此必須采用功率放大器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大。功率放大器輸出的脈沖激勵(lì)頻率為0.5 Hz，電壓為0～15 V的方波信號(hào)，最大輸出功率達(dá)到500 W。大功率的脈沖源可以提高勵(lì)磁系統(tǒng)的激勵(lì)電流強(qiáng)度，使缺陷漏磁信號(hào)的幅值變換更為明顯。

信號(hào)調(diào)理電路能實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾傳感器輸出信號(hào)的放大和濾波功能，原理如圖3所示。運(yùn)放型號(hào)是TI公司的OPA2374，用+5 V單電源供電。當(dāng)霍爾傳感器檢測(cè)到漏磁場(chǎng)時(shí)輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，在5 V供電電壓下，檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)，霍爾傳感器輸出2.5 V直流電壓。為了使檢測(cè)效果更加明顯同時(shí)防止運(yùn)放因增益過(guò)大出現(xiàn)輸出飽和，調(diào)理電路使霍爾傳感器的輸出信號(hào)放大7,8倍，放大信號(hào)經(jīng)過(guò)截止頻率約為5.5 kHz的二階低通濾波器，輸送到數(shù)據(jù)采集模塊。

圖3　信號(hào)調(diào)理電路原理圖

數(shù)據(jù)采集模塊采用的是NI公司基于USB總線的USB6009 14位數(shù)據(jù)采集卡，其可同時(shí)采集8路模擬信號(hào)，并配有12路數(shù)字I/O接口，最高采樣頻率為48 kHz，檢測(cè)時(shí)選取了20 kHz的采樣頻率(每秒鐘采集20 k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))。

在計(jì)算機(jī)中，基于Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制脈沖漏磁檢測(cè)程序，包括脈沖信號(hào)輸出程序、數(shù)據(jù)采集濾波儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)回放程序。分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：① 控制數(shù)據(jù)采集卡輸出頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)。② 采用數(shù)據(jù)采集卡上升沿觸發(fā)采樣功能，對(duì)漏磁檢測(cè)輸出信號(hào)進(jìn)行同步采樣，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，以文本格式保存數(shù)據(jù)同時(shí)顯示采樣波形。③ 讀取已經(jīng)儲(chǔ)存的多組數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)系中同時(shí)顯示多組采樣波形，分別輸出每組采樣波形的峰值時(shí)間和峰值電壓值。

圖4　數(shù)據(jù)采集濾波儲(chǔ)存程序界面

圖4是數(shù)據(jù)采集濾波儲(chǔ)存程序界面，通過(guò)程序界面可設(shè)置數(shù)字濾波器的類(lèi)型、濾波器的截止頻率、濾波器階數(shù)、波形數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存地址、數(shù)據(jù)采集通道、同步采樣觸發(fā)信號(hào)類(lèi)型、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)。程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí),首先根據(jù)用戶配置的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行初始化;在脈沖激勵(lì)上升沿時(shí)刻數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到同步采樣觸發(fā)信號(hào)時(shí)，開(kāi)始對(duì)選定的采集通道進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到用戶設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)采集卡停止采樣;數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)以文本格式儲(chǔ)存到電腦硬盤(pán)中同時(shí)被示波器顯示，程序完成一次采樣。如果要進(jìn)行新一輪的采樣，按開(kāi)始采樣按鈕，數(shù)據(jù)采集卡會(huì)在脈沖激勵(lì)上升沿時(shí)刻開(kāi)始采樣。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

檢測(cè)系統(tǒng)采用的是0.5 Hz的方波脈沖激勵(lì)。試驗(yàn)鐵磁性材料選用45鋼板，一共6塊，鋼板的尺寸為150 mm×150 mm×11 mm(長(zhǎng)×寬×高)。缺陷為矩形溝槽,位于每塊鋼板的中心。其中,三塊鋼板缺陷寬度均為1 mm,深度分別為2,5,10 mm;其他三塊鋼板缺陷寬度均為2 mm,深度分別為2,5,10 mm(缺陷長(zhǎng)度為150 mm,由于檢測(cè)方向垂直于缺陷長(zhǎng)度方向,故缺陷長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響)。試驗(yàn)時(shí)，將霍爾傳感器中點(diǎn)與缺陷中線對(duì)齊，以0.5 mm的步長(zhǎng)依次向缺陷的左側(cè)、右側(cè)垂直于缺陷移動(dòng)5 mm，傳感器每移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)測(cè)試一次數(shù)據(jù)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存。

3.1裂紋缺陷寬度的評(píng)估

圖5是傳感器到缺陷中線的距離與傳感器輸出電壓值的關(guān)系圖，圖中橫坐標(biāo)是傳感器中心到缺陷中線的距離，傳感器位于缺陷左側(cè)時(shí)用負(fù)值表示傳感器與缺陷的距離，反之在右側(cè)時(shí)取正;縱坐標(biāo)為傳感器在距離缺陷中線不同距離時(shí)輸出信號(hào)的峰值或谷值。從圖5可看出,缺陷的寬度會(huì)影響輸出信號(hào)峰-峰值的間距，缺陷的寬度為1 mm時(shí)，輸出信號(hào)峰-峰值距離大約2 mm;缺陷寬度為2 mm時(shí)，輸出信號(hào)峰-峰值距離大約3 mm。而且當(dāng)鋼板缺陷寬度一致時(shí)，輸出信號(hào)峰-峰值間距也是固定的，不會(huì)隨著缺陷深度的變化而變化。缺陷寬度越大，采樣曲線的峰-峰值間距越大，且峰-峰值間距增量約等于缺陷寬度的增量，因此可利用這個(gè)特征來(lái)評(píng)估缺陷的寬度。

圖5　傳感器到缺陷中線的距離與輸出電壓的關(guān)系曲線

圖6　不同缺陷深度下,缺陷寬度對(duì)輸出信號(hào)的影響

為了考察在相同的缺陷深度下，不同缺陷寬度對(duì)傳感器輸出的影響，取圖5中每條裂紋曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并繪制成曲線如圖6所示。圖6中橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，在脈沖激勵(lì)上升沿時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)采樣。由圖6可看出,如果缺陷深度一致，輸出電壓峰值隨缺陷的寬度增加而變大，但是增幅不大，圖6中每幅圖中兩條曲線的峰值差值分別為39,27,37 mV。如果通過(guò)輸出電壓峰值來(lái)判斷缺陷的寬度,效果不是很理想。

3.2裂紋缺陷深度的評(píng)估

取圖5中每條裂紋曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較繪制成曲線，如圖7所示。圖7(a)中四條曲線從上到下依次對(duì)應(yīng)的峰值電壓值為777,505,209,18 mV。圖7(b)中四條曲線從上到下依次對(duì)應(yīng)的峰值電壓值為814,532,248,18 mV。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一寬度的缺陷，在不同缺陷深度下輸出信號(hào)的峰值是不同的。缺陷越深，輸出電壓信號(hào)峰值越大，傳感器輸出電壓信號(hào)變化明顯，利用傳感器輸出電壓峰值可以對(duì)缺陷深度進(jìn)行評(píng)估。

圖7　不同缺陷寬度下,缺陷深度對(duì)輸出信號(hào)的影響

4　結(jié)論

脈沖漏磁檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)鋼板缺陷的寬度和深度進(jìn)行有效評(píng)估:

(1) 通過(guò)輸出電壓峰值來(lái)判斷缺陷寬度的效果不理想，利用采樣曲線的峰-峰值間距可對(duì)缺陷的寬度進(jìn)行評(píng)估，缺陷寬度越大，采樣曲線的峰-峰值間距越大，且峰-峰值間距增量大約等于缺陷寬度的增量。

(2) 確定了缺陷的寬度之后,利用采樣曲線的峰值電壓可對(duì)缺陷的深度進(jìn)行評(píng)估，寬度一致深度不同的缺陷在峰值點(diǎn)的電壓是不同的，缺陷越深，輸出電壓信號(hào)峰值越大，傳感器輸出電壓信號(hào)變化明顯。

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The Method of Defect Quantitative Estimation Based on Pulsed Magnetic Flux Leakage

XU Peng, HUANG Jun, ZHU Li-li

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Pulsed magnetic flux leakage testing is a new magnetic leakage flux nondestructive testing method which regards the pulse signal as an excitation source. Recently it has been widely used in the testing of ferromagnetic materials such as steel to promise the security of production and transmission, so that the economic loses can be cut down. In this paper, a pulsed magnetic flux leakage testing method based on hall sensor is proposed and a system of pulsed magnetic flux leakage testing is built up. Furthermore, a testing platform based on Labview is designed to collect magnetic flux leakage signals of the crack defects by sensor under pulse excitation. Several plate samples with different machining crack defects are tested through experiments. In the experiment, quantitative estimations of width and depth parameters of crack defects based on peak values and peak-peak values of the detected signals are conducted.

Pulsed magnetic flux leakage testing; Hall sensor; Crack defect detection; Quantitative estimation

2015-01-18

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(BK20130794)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20123218120016)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2014034)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NS2012042)

許鵬 (1980-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)。

10.11973/wsjc201510011

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0047-04